《SCIENCE ADVANCES》：A reconfigurable dielectric elastomer actuator via phase-transitional ferrofluid enables sustainable operation
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为解决传统介电弹性体驱动器（DEA）电极预先图案化、不可重构，导致其应用模式和适应性受限的问题，研究人员开展了一项关于“利用相变铁流体（PTF）电极实现可重构DEA”的主题研究。结果表明，所设计的PTF电极能在溶胶态（液态）和凝胶态（固态）之间可逆切换，在磁场驱动下实现电极形状、位置和数量的动态重构，赋予单个DEA器件多模式致动能力，并在电极断开、介电失效后能恢复运作，且电极材料可回收利用。这项研究极大地增强了DEA的灵活性、耐用性和可持续性，为下一代可重构电活性系统和人工肌肉的发展提供了新策略。
在追求仿生软体机器人和先进人工肌肉的道路上，介电弹性体驱动器（DEA）因其在电场下能实现快速、精确的形变，且具有高功率密度，被视为一颗璀璨的希望之星。想象一下，如果我们的机器人或假肢能够像真实肌肉一样，仅凭单一结构就能灵巧地完成抓握、弯曲、扭转等多种复杂动作，那将是多么美妙。然而，现实中的传统DEA却有些“死板”——它们的电极一旦被设计和制造出来，其形状和位置就被永久固定，这使得每个DEA器件通常只能执行一种预设的致动模式。这就像给一个万花筒只装了一种图案的玻璃片，虽能工作，却失去了变幻无穷的魅力。这种固有的局限性严重制约了DEA在需要高度适应性和多功能性的复杂场景中的应用。更令人头疼的是，DEA在实际运作中容易因机械损伤或电击穿而失效，且难以修复，常常导致整个器件提前“退休”，造成了材料和资源的浪费。那么，能否创造一种“聪明”的电极，让它既能像固体一样稳定工作，又能像液体一样被随意塑形和移动，从而赋予DEA前所未有的灵活性与“生命力”呢？
为了解决上述挑战，一项发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究给出了令人振奋的答案。研究人员巧妙地将具有磁响应性的铁流体与可发生可逆相变的明胶基质相结合，开发出一种新型的相变铁流体（PTF）电极。通过这项研究，他们成功证明，利用PTF电极可以实现单个DEA器件的电极动态重构、多模式致动，并在发生故障后恢复功能，甚至能回收和重复使用电极材料，显著提升了DEA的适应性、鲁棒性和可持续性。
研究者们运用了几个关键的技术方法来构建和验证这一系统。首先，他们合成了PTF材料，其核心是从商用磁性墨水（MICR）中提取的配体修饰磁性纳米颗粒（MNPs），将其与乙二醇（EG）溶剂、明胶和增塑剂N-甲基甲酰胺（NMF）复合，通过超声处理实现均匀分散。其次，他们系统地表征了PTF的理化性质，包括利用流变学测试分析其相变温度、储能模量（G‘）和损耗模量（G“），通过振动样品磁强计（VSM）测量其磁化曲线，并评估了其离子电导率和机械性能（如单轴拉伸测试）。再者，他们构建了基于不同介电材料（如VHB、Ecoflex、PDMS）的DEA器件，通过施加高压电场并记录形变，定量分析了PTF作为电极的致动性能（如面积应变）。最后，他们设计了一系列功能演示实验，例如利用磁场在器件上动态重构PTF电极的形状和位置，模拟电极断开或介电击穿后的自修复与故障隔离过程，并演示了PTF电极的回收与再利用。
研究结果
设计用于可重构DEA的PTF
研究人员设计PTF的目标是创造一个能兼具固态（凝胶态）和液态（溶胶态）特性的电极材料。在凝胶态，PTF足够柔软且有弹性，能够承受DEA致动时的大形变并稳定传递麦克斯韦应力。在溶胶态，PTF需具备高磁响应性和低粘度，以便在磁场驱动下轻松移动和重新构型。他们通过将配体修饰的MNPs、EG基明胶基质和增塑剂NMF相结合，成功实现了这一目标。PTF展现了可逆的溶胶-凝胶相变，且在相变循环中能保持稳定的电学与流变学性能。与不能相变的传统铁流体相比，PTF在凝胶态能作为稳定电极实现高达169%的面积应变，而在溶胶态则能在磁场下表现出整体性、动态的移动，无相分离。
PTF的力学与磁动力学特性
通过对溶剂、明胶浓度、MNP含量和增塑剂比例的筛选与优化，研究人员调控了PTF的性能。以EG为溶剂的PTF比以去离子水为溶剂的PTF更柔软、拉伸性更好、挥发性更低，更适合作为DEA电极。提高MNP含量能增强材料的磁化强度和对磁场的响应距离，而添加增塑剂NMF能显著降低PTF在溶胶态的粘度，从而提升其在磁场下的移动速度。优化的PTF在溶胶态具有低粘度（0.06 Pa·s），在凝胶态则具有低损耗因子（tan δ=0.03），实现了高弹性和高流动性的独特组合。
采用PTF的可重构DEA
实验证实，PTF能与多种常用介电材料（VHB、Ecoflex、PDMS）良好兼容，其致动应变与传统碳脂电极相当，在VHB上可实现169%的大面积应变。更重要的是，通过直接在介电层表面进行相变形成的PTF电极，能与基底形成保形接触，即使在表面有污染的情况下也能实现有效致动，而预先制备再转移的PTF则因接触不良易导致滑移和性能下降。PTF的可重构性得到了充分展示：初始位置的PTF电极完成致动后，可转换为溶胶态，在磁场驱动下移动至新位置并改变形状，甚至可分裂成多个独立部分，实现不同的致动模式。在弯曲致动器应用中，通过调整PTF电极与底部电极的重叠面积，可以线性控制弯曲角度和输出力，实现了不依赖电压调节的多模式致动。
PTF提升DEA的可持续性
PTF电极显著增强了DEA系统的可持续性。当PTF电极因外力断开时，可通过相变至溶胶态，在磁场下重新连接并恢复致动功能，实现了电极“自愈合”。当DEA发生介电击穿或机械穿刺导致短路故障时，可利用磁场将PTF重构，隔离损坏区域，使系统其余部分恢复运作。此外，PTF材料本身具备出色的可回收性：在溶胶态可从旧器件中取出，存储后重新应用于新器件，回收率约91%，且重复使用后仍能保持初始的致动性能。
研究结论与意义
这项研究通过集成具有溶胶-凝胶相变能力的聚合物与来自铁流体的配体修饰磁性纳米颗粒，成功开发出一种用于DEA的可重构电极。PTF在溶胶态表现出高度的磁驱动性和可重构性，在凝胶态则保持柔软稳定，支持大的面积致动。这种独特的双态特性使得在单个DEA器件内，能够按需实现不同形状、位置和数量的致动，突破了传统DEA性能与灵活性之间的长期矛盾。其卓越的保形性确保了即使在污染表面也能强效粘附，而可重构性则能在电极或介电层失效后恢复致动，并允许电极材料以高效率（~90%）回收再利用。PTF将电极从静态导体重新定义为可编程单元，从而将DEA确立为具有增强多功能性和耐用性的现场可编程平台。这项工作展示了单个致动器如何产生多样化致动，向模仿具有内在高自由度的人体肌肉这一仿生目标迈出了坚实一步。因此，PTF为需要内在适应性的多功能软体机器人、人工肌肉和下一代软电子系统奠定了广泛适用的基础。尽管目前的研究聚焦于平面和简单弯曲DEA，但对该材料的进一步优化有望将其集成到更先进的架构中，包括多层堆叠和像素化阵列，这亦是未来持续探索的方向。
